Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Entalpía y capacidad calorífica


La termodinámica es una de las áreas centrales de la química física, que profundiza en el estudio de las transformaciones de energía. Dos conceptos esenciales en este tema son la entalpía y la capacidad calorífica. Estos términos ayudan a entender cómo entra y sale la energía calorífica de un sistema durante reacciones químicas o procesos físicos. Este documento cubrirá de manera integral los principios y aplicaciones de la entalpía y la capacidad calorífica, brindándole una base sólida en esta área de la química a nivel de posgrado.

¿Qué es la entalpía?

La entalpía, representada por el símbolo H, es una propiedad de un sistema termodinámico. Se define como la suma de la energía interna del sistema U y el producto de su presión P y volumen V:

H = U + PV

En términos simples, la entalpía es una medida de la energía total de un sistema, que incluye su energía interna y la energía necesaria para hacer espacio desplazando su entorno.

Entendiendo los cambios de entalpía

Cuando ocurre una reacción química a presión constante, el cambio en entalpía ΔH es igual al calor absorbido o liberado por el proceso. La expresión para el cambio de entalpía se da como:

ΔH = H_final - H_initial

Si ΔH es positivo, la reacción es endotérmica, lo que significa que absorbe calor. Por el contrario, si ΔH es negativo, la reacción es exotérmica, lo que significa que libera calor.

Entalpía en reacciones químicas

Por ejemplo, durante la combustión de gas hidrógeno para formar vapor de agua, la energía liberada se puede considerar como el cambio de entalpía:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O ΔH = -483.6 kJ/mol

Aquí el cambio de entalpía es negativo, lo que indica una reacción exotérmica.

¿Qué es la capacidad calorífica?

La capacidad calorífica es una medida de la energía térmica necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia por una cierta cantidad. Hay dos tipos de capacidad calorífica a considerar: capacidad calorífica específica (c) y capacidad calorífica molar (C).

Capacidad calorífica específica

La capacidad calorífica específica se define como la cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius (o Kelvin). Es una propiedad que puede cambiar con la temperatura y el estado de la sustancia.

La fórmula se representa de la siguiente manera:

q = mcΔT

Dónde:

  • q es el calor añadido (o eliminado),
  • m es la masa,
  • c es la capacidad calorífica específica, y
  • ΔT es el cambio de temperatura.

Capacidad calorífica molar

La capacidad calorífica molar es la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un mol de una sustancia en un grado Celsius (o Kelvin). Es útil cuando se trata de reacciones químicas en términos molares. También puede depender de la temperatura.

La fórmula para la capacidad calorífica molar C es:

q = nCΔT

Dónde:

  • n es el número de moles, y
  • Las otras variables tienen sus significados habituales.

Ejemplo visual

SVG ilustrando el concepto de entalpía

Energía en el sistema Término PV H = U + PV

SVG mostrando capacidad calorífica específica

Capacidad calorífica específica (c) q (calor) = mcΔT

Implicaciones prácticas y ejemplos

Entender la entalpía y la capacidad calorífica es muy importante en campos que van desde la química industrial hasta la ciencia ambiental. Aquí, discutiremos algunas aplicaciones prácticas y proporcionaremos ejemplos para ilustrar su importancia.

Entalpía en reacciones químicas cotidianas

Considere cocinar alimentos. Cocinar implica reacciones químicas donde el calor cambia la entalpía de las sustancias que se cocinan. Por ejemplo, cuando asas un bistec, ocurre la reacción de Maillard, que es una reacción endotérmica, agregando sabor y dorando el exterior del bistec.

Capacidad calorífica y patrones climáticos

Los vastos cuerpos de agua de los océanos tienen una capacidad calorífica específica muy alta. Esta propiedad juega un papel clave en la regulación del clima de la Tierra. A medida que los océanos absorben calor, estabilizan las temperaturas, afectando la vida marina y los patrones climáticos globales.

Por ejemplo, considere el efecto de la cálida Corriente del Golfo en el clima de las Islas Británicas. A pesar de estar muy al norte, las Islas Británicas tienen inviernos templados debido a la capacidad calorífica del agua de la Corriente del Golfo.

Ejemplos matemáticos y resolución de problemas

Ejemplo: Calculando el cambio de entalpía

Considere una simple reacción exotérmica donde el gas hidrógeno se quema con oxígeno:

2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O(l)

El cambio estándar de entalpía ΔH reacción se puede calcular utilizando la entalpía de formación estándar conocida:

ΔH reacción = [2 * ΔH f (H 2 O(l))] - [2 * ΔH f (H 2 (g)) + ΔH f (O 2 (g))]

Dónde ΔH f (H 2 O(l)) = -285.8 kJ/mol, ΔH f (H 2 (g)) = 0 kJ/mol, y ΔH f (O 2 (g)) = 0 kJ/mol.

Ejemplo: Calculando el cambio de capacidad calorífica

Un problema que implica capacidad calorífica podría preguntar: ¿Cuánta energía se necesita para calentar 500 g de agua de 20 °C a 80 °C? Suponga que la capacidad calorífica específica del agua es 4.18 J/g°C.

q = mcΔT

Insertando valores conocidos:

q = (500 g)(4.18 J/g°C)(80°C - 20°C)

Simplificando, obtienes:

q = 500 g * 4.18 J/g°C * 60°C = 125,400 J

Por lo tanto, se requieren 125,400 J (o 125.4 kJ) de energía para elevar la temperatura de 500 g de agua de 20 °C a 80 °C.

Importancia en la química y la industria

En los procesos industriales, como la síntesis de amoníaco o la producción de ácido sulfúrico, la medición precisa de los cambios de entalpía es crucial para diseñar procesos energéticamente eficientes. Esta eficiencia afecta directamente el costo, la sostenibilidad y la huella ambiental.

En investigación, el estudio de la capacidad calorífica ayuda a los químicos a obtener información importante sobre la estructura, los enlaces y los cambios de fase de una sustancia. Por ejemplo, los cambios en la capacidad calorífica específica cerca del punto de fusión pueden revelar características únicas sobre las interacciones moleculares.

Conclusión

La entalpía y la capacidad calorífica son conceptos fundamentales en termodinámica, que iluminan las formas en que las sustancias almacenan y transfieren energía. Comprender estos conceptos permite a los químicos y científicos de diversos campos predecir el comportamiento de los sistemas, diseñar procesos químicos eficientes y apreciar las sutilezas de los fenómenos naturales.

Esta visión general introduce los fundamentos de la entalpía y la capacidad calorífica a sus aplicaciones de gran alcance, dándole una comprensión completa de estos importantes temas dentro de la química física.


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Entalpía y capacidad calorífica

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